JPWO2017126397A1 - 磁気センサー - Google Patents

Abstract

従来のＴＭＲセンサー及びＭＩセンサーの両者を凌駕する高いＳＮ比を実現する磁気センサーを構成する。磁気検出素子の内部構成を除く全体構成をＭＩセンサーとしつつ、磁気検出素子１０が、トンネル磁気抵抗素子１１，１１同士の直列接続、若しくは、並列接続、又はその両方の接続を含んだ複数のトンネル磁気抵抗素子によるトンネル磁気抵抗素子アレイ１２で構成される。トンネル磁気抵抗素子アレイの抵抗値を０．１から５０Ωとする。１次コイル２１と２次コイル２２とで構成された信号増幅部２０と磁気検出素子とが、同一の基板１３上において互いが近接して構成される。

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗素子を利用した磁気センサーに関する。

トンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magneto Resistance Effect）とは、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）において磁場の印加でトンネル電流が流れて電気抵抗が変化する現象をいう。
トンネル磁気抵抗素子は、磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、固定磁性層と自由磁性層との間に配置された絶縁層を有し、磁気トンネル接合（ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction））を形成する。固定磁性層の磁化の向きと自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル磁気抵抗効果により絶縁層の抵抗を変化させる。
トンネル磁気抵抗効果を利用した磁気センサー（ＴＭＲセンサー）は、例えば、特許文献１，２に記載される。ＴＭＲセンサーは、外部からの磁気に反応して数百パーセントの抵抗値変化を生じる特性があり、高感度且つダイナミックレンジの高い磁気センサーとして期待されている。

一方、磁気インピーダンス（Magneto-Impedance；ＭＩ）効果とは、アモルファス合金ワイヤなどの高透磁率合金磁性体の表皮効果により、外部磁界によってインピーダンスが敏感に変化する現象をいう。
磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサー（ＭＩセンサー）は、例えば、特許文献３に記載される。ＭＩセンサーは、外部からの磁気に対して数パーセント程度の抵抗値変化しか生じないものの、回路構成の性質上、非常にＳＮ比の高い信号を出力できるため、こちらも高感度な磁気センサーとして期待されている。

特開２０１１−１０２７３０号公報 国際公開２０１２/１６１０３７号公報 特許第３６３９７２７号公報

従来、ＴＭＲセンサーは、内部に数ｎｍ程度の厚さの絶縁層が必須であるため、抵抗値が必ず存在する。そのため、抵抗値が持つ熱ノイズに起因するノイズがＳＮ比改善の大きな阻害因子となっている。
ＭＩセンサーは、ノイズは非常に小さく抑えられる構成ではあるものの、外部からの磁場に対する信号変化量が数％程度であることがＳＮ比改善の阻害因子となっている。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、従来のＴＭＲセンサー及びＭＩセンサーの両者を凌駕する高いＳＮ比を実現する磁気センサーを構成することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、磁気検出素子と、
１次コイルと２次コイルとで構成された信号増幅部と、
前記磁気検出素子と前記信号増幅部に高周波の正弦波電流を印加する発振回路と、
前記磁気検出素子に印加された外部磁場に応じて変化する前記磁気検出素子の前記高周波の正弦波電流の変化量を、前記信号増幅部を介して検出することで前記外部磁場の変化量を検出する検波回路と、を備え、
前記磁気検出素子が、トンネル磁気抵抗素子同士の直列接続、若しくは、並列接続、又はその両方の接続を含んだ複数のトンネル磁気抵抗素子によるトンネル磁気抵抗素子アレイで構成されている磁気センサーである。

請求項２記載の発明は、前記磁気検出素子と前記信号増幅部とが、同一の基板上において互いが近接して構成されている請求項１に記載の磁気センサーである。

請求項３記載の発明は、前記磁気検出素子の抵抗値が０．１から５０Ωである請求項１又は請求項２に記載の磁気センサーである。

本発明の磁気センサーによれば、磁気検出素子の内部構成を除く全体構成をＭＩセンサーとすることでＭＩセンサーの顕著に高いＳＮ比を継承しつつ、従来のＭＩセンサーにおける信号変化量の低さを、顕著な高感度特性を有するトンネル磁気抵抗素子アレイによって補完し、従来のＴＭＲセンサー及びＭＩセンサーの両者を凌駕する高いＳＮ比を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路図である。 本発明の一実施形態に係る磁気センサーの磁気検出素子に印加されるパルス列電流波形図である。 本発明の一実施形態に係り、トンネル磁気抵抗素子アレイ及び１次コイルが構成された基板の平面図Ａ及び断面図Ｂである。 本発明の一実施形態に係り、トンネル磁気抵抗素子アレイ及び１次コイルが構成され、２次コイルが巻き付けられた基板の平面図Ａ及び断面図Ｂである。 本発明の一実施形態に係り、トンネル磁気抵抗素子アレイ、１次コイル及び２次コイルが構成された基板の平面図Ａ及び断面図Ｂである。 本発明の他の一実施形態に係り、トンネル磁気抵抗素子アレイ、１次コイル及び２次コイルが構成された基板の平面図Ａ及び断面図Ｂである。 本発明の他の一実施形態に係り、トンネル磁気抵抗素子アレイ、１次コイル及び２次コイルが構成された基板の平面図Ａ及び断面図Ｂである。 本発明の他の一実施形態に係り、トンネル磁気抵抗素子アレイ、１次コイル及び２次コイルが構成された基板の平面図Ａ及び断面図Ｂである。 本発明の他の一実施形態に係り、トンネル磁気抵抗素子アレイ、１次コイル及び２次コイルが構成された基板の平面図Ａ及び断面図Ｂである。 本発明の他の一実施形態に係り、磁気検出素子にトリガーコイルを接続した構成の模式図である。 本発明の他の一実施形態に係り、磁気検出素子にステップアップコイルを接続した構成の模式図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔基本構成〕
本実施形態の磁気センサーは、磁気検出素子１０の内部構成を除いた全体構成は基本的に図１Ａに示すように従来のＭＩセンサーと同じで、磁気検出素子１０と、信号増幅部２０(１次コイル２１と２次コイル２２とで構成)と、発振回路３０と、検波回路４０とを備えて構成される。
従来のＭＩセンサーの場合、磁気検出素子と１次コイルとが一体となったものが磁気インピーダンス素子であり、本発明では、磁気インピーダンス素子の置き換えにトンネル磁気抵抗素子アレイ１２（１次コイル２１を含む）を利用して、高いＳＮ比を確保する。
図１Ａにおいて、パルスジェネレーター５０が出力するパルス電圧が、ＲとＣによる微分回路により整形され、Ｃ−ＭＯＳインバーターを介して電流に変換され、パルス幅τ及びパルス間隔Ｔのパルス列電流Ｉｐ（図１Ｂ）として磁気検出素子１０へ通電される。信号増幅部２０のコイルに誘導されるパルス電圧ＶｃはアナログスイッチＳによる同期整流回路により直流的な出力電圧Ｅｄｃに変換される。

磁気インピーダンス素子をトンネル磁気抵抗素子と置き換えるためには、抵抗値が０．１から５０Ωの範囲まで小さくする必要がある。好ましくは１０Ω以下、より好ましくは１Ω以下まで小さくする。これには基板１３上において、例えば図２に示すようにトンネル磁気抵抗素子１１同士の直列接続、若しくは、並列接続、又はその両方の接続を含んだ複数のトンネル磁気抵抗素子１１，１１、・・・によるトンネル磁気抵抗素子アレイ１２で磁気検出素子１０を構成する。
トンネル磁気抵抗素子（以下「ＴＭＲ素子」）１１の並列数が多いほど、ＴＭＲ素子アレイ１２の抵抗値は小さくなる。ＴＭＲ素子１１内の自由磁性層が外部磁場に対して反応し、外部磁場の強度変化は結果としてトンネル抵抗の変化率となって検出することができる。
また、基板１３上において、ＴＭＲ素子１１，１１間の配線を含めた導線により１次コイル２１を構成する。１次コイル２１にトンネル抵抗の変化率に応じた外部磁場検出信号電流が通電する。

〔２次コイルの様々な形態〕
２次コイルの形態、設け方については、以下に複数の形態を開示する。
（形態１）
各ＴＭＲ素子１１の自由磁性層での磁化の向きが外部磁場の影響を受けて変化することで外部磁場を検出する。従来のＭＩセンサーと同様に磁気検出素子と１次コイル２１を含んだ構成となる。そのため、図３に示すようにＴＭＲ素子アレイ１２及び１次コイル２１を包囲するように２次コイル２２を基板１３に巻き付けることで、ＴＭＲ素子アレイ１２に流れる電流量は、１次コイル２１と２次コイル２２との磁気的な結合を介して、２次コイル２２に流れるパルス電圧Ｖｃへと変換される。
この時、２次コイル２２の巻き数と巻きピッチに応じて、昇圧コイルの要領で１次コイル２１に流れる電流の何倍も大きな電流が２次コイル２２側に流れるため、１次コイル２１と２次コイル２２とにより信号増幅部２０が構成されている。

（形態２）
１次コイル２１と２次コイル２２との間隔が小さいほど、磁気的な結合効率が向上するため、図４に示すように同一基板１３上に２次コイル２２の導線を設けても良い。この場合、１次コイル２１を含むＴＭＲ素子アレイ１２の配線と２次コイル２２の導線とが干渉しないように基板表面上配線、層間配線及び上下層接続配線（ビア）を利用して立体的な配線構造を構築する。

（形態３）
ＴＭＲ素子アレイ１２に流れる電流から発生する磁場を介して２次コイル２２に流れる電流へ変換する構成でも構わない。この場合、アンペールの法則に従い、ＴＭＲ素子アレイ１２の配線に沿った位置でコイルを隣接させる構成が磁気的な結合として効率が良いため、図５に示すように基板１３上でＴＭＲ素子アレイ１２を挟み込む構成で２次コイル２２が配置される。
また、ＴＭＲ素子アレイ１２に隣接させる２次コイル２２は巻き数が多いほど誘導起電 力が大きくなるため、多重巻きで配置することが望ましい。

（形態４）
２次コイル２２を立体的に多重巻きするのではなく、図６に示すように基板１３の面方向に沿ってうず巻き状に展開された形態で設けることで多重巻きと似た高い起電力を得ることができる。

（形態５）
２次コイル２２を多重巻きではなく、図７に示すように基板１３の面方向に沿って多数のコイルを配置した構成でも同様の効果が得られる。この場合も、ＴＭＲ素子アレイ１２に可能な限り隣接させて多数の小さい径のコイルを配置するほど、誘導起電力を大きくすることができる。

（形態６）
ＴＭＲ素子アレイ１２に隣接させる２次コイル２２の形状は円形に限らず、図８に示すように矩形であっても構わない。この場合、矩形状の各コイルで電流が打ち消し合う構成にならないように、開口幅（Ｗ１、Ｗ２）が異なるコイルを繰り返す形状で配置する。

（形態７）
基板１３に構成されるデバイスの小型化が重要でなければ、基板１３上から１次コイルを排除して、１次コイル２１と２次コイル２２は汎用品のトリガーコイル（図９Ａ）やステップアップコイル（図９Ｂ）を利用して構成しても構わない。コイルの巻き数比の選択肢が広がるため、用途や仕様に合わせた高い変換効率を達成することが容易である。
また、ＴＭＲ素子アレイ１２の周辺に余裕ができる為、ＴＭＲ素子１１を高密度に多数配置して空間分解能を高める構成や、ＴＭＲ素子アレイ１２の近傍にコンセントレーターを配置して、ＴＭＲ素子アレイ１２に加わる磁場強度を増強させて、さらに高い信号出力を得ることができる。

本発明は、トンネル磁気抵抗素子を利用した磁気センサーに利用することができる。

１０ 磁気検出素子
１１ トンネル磁気抵抗素子
１２ トンネル磁気抵抗素子アレイ
１３ 基板
２０ 信号増幅部
２１ １次コイル
２２ ２次コイル
３０ 発振回路
４０ 検波回路
５０ パルスジェネレーター

Claims (3)

1. 磁気検出素子と、
   １次コイルと２次コイルとで構成された信号増幅部と、
   前記磁気検出素子と前記信号増幅部に高周波の正弦波電流を印加する発振回路と、
   前記磁気検出素子に印加された外部磁場に応じて変化する前記磁気検出素子の前記高周波の正弦波電流の変化量を、前記信号増幅部を介して検出することで前記外部磁場の変化量を検出する検波回路と、を備え、
   前記磁気検出素子が、トンネル磁気抵抗素子同士の直列接続、若しくは、並列接続、又はその両方の接続を含んだ複数のトンネル磁気抵抗素子によるトンネル磁気抵抗素子アレイで構成されている磁気センサー。
2. 前記磁気検出素子と前記信号増幅部とが、同一の基板上において互いが近接して構成されている請求項１に記載の磁気センサー。
3. 前記磁気検出素子の抵抗値が０．１から５０Ωである請求項１又は請求項２に記載の磁気センサー。

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